JP2011165817A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不純物層の深さおよび濃度のばらつきを抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体基板１１のチャネル層１２上に、酸化膜１４を介して、レジスト材料１６を一様に形成する工程と、電荷の転送方向に向かって光の透過率が変化するグレーティングマスク１７を用いてレジスト材料１６を露光する工程と、露光されたレジスト材料１６を現像することにより、膜厚が変化する薄膜部１８Ａを有するレジスト膜１８を形成する工程と、レジスト膜１８を介してチャネル層１２にイオンを注入することにより、第１の不純物層１３を形成する工程と、レジスト膜１８を除去後、第１の不純物層１３上の一部に、酸化膜１４を介して転送電極１５を形成する工程と、を具備し、レジスト材料１６は、単位露光量あたりの膜厚減少量を示すスロープの傾きが、０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以上、０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以下のレジスト融解特性を有する材料である。
【選択図】図９

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にグレーティングマスクを用いて形成される不純物層を有する半導体装置の製造方法に関する。

従来の固体撮像装置における転送レジスタは、半導体基板表面に形成された不純物層上に、酸化膜を介して、電荷を転送するための転送電極が設けられている。このような転送レジスタにおいて、不純物層は、例えばｎ型のイオンを注入して各転送電極下の半導体基板表面に、電荷の転送方向に向かって深くなるようなプロファイルで形成される。このようなプロファイルの不純物層により、各転送電極下において、電荷の転送方向に向かって深くなるポテンシャルが形成されるため、効率よく電荷を転送することができる。

これらの不純物層は、場所によって光の透過率が異なるグレーティングマスクを用いて形成されることが知られている（特許文献１参照）。すなわち、半導体基板上に一様にレジスト材料を塗布する。続いて、電荷の転送方向に向かって光の透過率が徐々に高くなるように制御されたグレーティングマスクを用いてレジスト材料を露光する。このように露光されたレジスト材料を現像すると、光が照射される部分全体のレジストの膜厚が極めて薄くなるが、光の透過率が高い領域ほどレジスト残膜は薄くなるため、電荷の転送方向に向かって膜厚が徐々に薄くなる部分を有するレジスト膜が形成される。このレジスト膜をマスクとして用いて半導体基板にイオンを注入すると、薄い部分の膜厚に対応して、電荷の転送方向に向かって徐々に深くなる不純物層が形成される。

上述の転送レジスタは、高集積化に伴い転送電極の幅が狭くなり、この狭い電極幅の範囲内で、電荷の転送方向に向かって、レジスト膜がなだらかに薄くなるように勾配を形成しなければならない。レジスト膜厚は、グレーティングマスクの光の透過率に比例するため、レジスト膜の勾配下部の特に薄い部分と勾配上部の特に厚い部分の膜厚を高精度に制御する必要がある。しかし、レジスト材料を露光する際の露光量のばらつきによってレジスト残膜の膜厚がばらつき、この結果、不純物層の深さがばらつく問題がある。具体的には、例えば薄い部分の膜厚が必要以上に薄く形成され、あるいは全く形成されない場合が生ずる。また、逆に膜厚が厚い部分では必要以上に厚くなる場合が生ずる。その結果、電荷の転送方向に向かって徐々に深くなるポテンシャルの形成は困難となる。従って、転送レジスタの転送特性も劣化する。

特開２００９−１７０６５３号公報

本発明は、不純物層の深さのばらつきを抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板のチャネル層上に、酸化膜を介して、レジスト材料を一様に形成する工程と、電荷の転送方向に向かって光の透過率が変化するグレーティングマスクを用いて前記レジスト材料を露光する工程と、露光された前記レジスト材料を現像することにより、膜厚が変化する薄膜部を有するレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜を介して前記チャネル層にイオンを注入することにより、第１の不純物層を形成する工程と、前記レジスト膜を除去後、前記第１の不純物層上の一部に、酸化膜を介して電極を形成する工程と、を具備し、前記レジスト材料は、単位露光量あたりの膜厚減少量を示すスロープの傾きが、０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以上、０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以下のレジスト融解特性を有する材料であることを特徴とする方法である。

本発明によれば、スロープの傾きが、０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以上、０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以下のレジスト溶解特性を有するレジスト材料を用いて薄膜部を有するレジスト膜を形成するため、露光量にばらつきがあっても、薄膜部の膜厚のばらつきは抑制される。従って、形成される不純物層の深さのばらつきを抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によって製造される固体撮像装置の一部を示す上面図である。 図１の一点鎖線Ａ−Ａ´に沿って示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための、装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための、装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための、装置の断面図である。 図５の工程において適用されるグレーティングマスクを示す上面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための、装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための、装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法に使用されるレジスト材料のレジスト融解特性を示すグラフである。 従来の半導体装置の製造方法に使用されるレジスト材料のレジスト融解特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の半導体装置の製造方法によって製造される固体撮像装置の一部を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この製造方法の説明においては、固体撮像装置の製造方法を一例として説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によって製造される固体撮像装置は、少なくともフォトダイオードを有する画素が格子状に配列形成された画素部と、この画素部に接続され、画素部にて発生した電荷を蓄える電荷蓄積部と、この蓄積部に蓄えられた電荷を出力部に転送するための転送レジスタと、を含む構成であり、特に転送レジスタは、電荷蓄積部にそれぞれ接続された垂直転送レジスタと、これらの垂直転送レジスタに接続された水平転送レジスタと、を有する。

図１は、水平転送レジスタの要部を示す上面図である。また、図２は、図１の一点鎖線Ａ−Ａ´に沿って示す断面図である。図２に示すように、水平転送レジスタにおいて、例えばシリコン材料からなるｐ型の半導体基板１１の表面には、帯状にｎ型のチャネル層１２が形成されている。このチャネル層１２の表面には、複数のｎ＋型の不純物層１３が、チャネル層１２の長手方向に沿って列状に配列形成されている。

一方でチャネル層１２の周囲には、複数の垂直転送レジスタ（図示せず）が、チャネル層１２の長手方向に対して垂直方向に延長形成されており、チャネル層１２は、これらの複数の垂直転送レジスタ（図示せず）に接続されている。なお、チャネル層１２の周囲のうち、垂直転送レジスタ（図示せず）に接続される部分以外の領域は、チャネルストップ領域として機能する。

チャネル層１２に設けられた各不純物層１３は、電荷の転送方向に向かって深くなるプロファイルで形成されている。そして、このような複数の不純物層１３は、最も深い箇所と、これに隣接する不純物層１３のうち、最も浅い箇所とが互いに接合されるように配列されている。

各不純物層１３上のうち、最も深い箇所を含む一部には、半導体基板１１上に一様に形成された、例えば酸化珪素等からなる酸化膜１４を介して、例えばポリシリコンからなる転送電極１５が配置されている。これらの複数の転送電極１５は、図１に示すように、それぞれがチャネル層１２を横切るように互いに平行に、互いに離間して配置されている。

このような水平転送レジスタの一つおきの転送電極１５と、これらの間の転送電極１５とには、それぞれ正負の電圧のクロックパルスを交互に印加し、印加された電圧に基づいて各不純物層１３のポテンシャルを制御することにより、電荷は転送される。

次に、図２に示される水平転送レジスタの製造方法を、図３乃至図８を参照して説明する。図３乃至図８（ただし図６を除く）は、図２に示される水平転送レジスタの製造方法を説明するための、図１の一点鎖線A−A´に沿った断面図である。

まず、図３に示すように、チャネル層１２が形成された半導体基板１１上に、酸化膜１４を形成する。

次に、図４に示すように、酸化膜１４上に、レジスト材料１６を一様に塗布する。このレジスト材料１６は、ポジレジストであって、露光量の変動に対して、後述するエッチング液に対する溶解量の変動が小さい材料が選定される。これについては、後に詳述する。

次に、図５に示すように、電荷の転送方向に向かって連続的に光の透過率が高くなる領域１７Ａが複数配列形成されたグレーティングマスク１７を用いてレジスト材料１６を露光する。このグレーティングマスク１７を図６に示す。図６は、グレーティングマスク１７を示す上面図である。図６に示すように、この工程において適用されるグレーティングマスク１７は、光を透過させないドットパターンを適宜形成することにより光の透過量を制御可能なマスクである。本工程に適用されるマスクのように、電荷の転送方向に向かって徐々に光の透過率が高くなる領域１７Ａを形成する場合は、光の透過率を高くしたい領域ほど、小さなドットパターンを疎に形成すればよい。

次に、図７に示すように、露光されたレジスト材料１６を、例えばアルカリ性のエッチング液に浸すことにより、レジスト材料１６を現像する。これにより、露光量が多い箇所ほどレジスト材料１６は溶解し、電荷の転送方向に向かって序々に膜厚が薄くなる部分１８Ａ（以下、この部分を薄膜部１８Ａと称す）を有するレジスト膜１８が形成される。このとき、露光量の変動に対して、エッチング液に対する溶解量の変動が小さいレジスト材料が選定されているため、図６の工程において、光の透過率にばらつきがあっても、図７において形成される薄膜部１８Ａの膜厚のばらつきは抑制される。

次に、図８に示すように、薄膜部１８Ａが形成されたレジスト膜１８をマスクとして用いて、ｎ型のイオンをチャネル層１２に注入する。このとき、薄膜部１８Ａの膜厚が薄い箇所ほどイオンが深く注入される。従って、１度のイオン注入により、レジスト膜１８の薄膜部１８Ａの膜厚の変化と同程度に深さが変化する不純物層１３が形成される。なお、レジスト膜１８の薄膜部１８Ａの膜厚のばらつきは抑制されているため、不純物層１３の深さのばらつきは抑制される。

最後に、レジスト膜１８を例えばアッシングにより除去した後、各不純物層１３上の所定の位置に、転送電極１５を、例えばパターニングにより形成する。これにより、図２に示される水平転送レジスタを形成することができる。

ここで、上述の図４に示す工程において酸化膜１４上に塗布されるレジスト材料１６について詳述する。図９は、本実施形態において適用されたレジスト材料１６の溶解特性、すなわち、露光量と現像後の残膜厚さとの関係を示すグラフである。図９のグラフの横軸は露光量［ｍＪ／ｃｍ^２］、縦軸は、レジスト材料の残膜厚さ［μｍ］を示す。

図９に示されるように、レジスト材料１６の溶解特性は、一定の露光量までは膜厚は変動しないが、それ以上の露光量に対しては、露光量にほぼ比例して残膜厚さが減少するような特性になる傾向がある。ここで、以下の説明において、露光量に対して残膜厚さが減少する曲線の傾きを、スロープの傾きと称すると、本実施形態において適用されるレジスト材料１６は、露光量が少ない領域（高感度領域）におけるスロープの傾きＸがおよそ０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］、露光量が多い領域（低感度領域）におけるスロープの傾きＹがおよそ０．００３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］の溶解特性を有するレジスト材料１６が選定される。このような緩やかなスロープの傾きを有するレジスト材料１６を選定することにより、露光量にばらつきがあっても、レジスト残膜厚さのばらつきを抑制することができる。従って、不純物層１３の深さのばらつきも抑制され、水平転送レジスタの転送特性のばらつきも抑制される。

なお、本願発明者等の検討の結果、水平転送レジスタの転送特性のばらつきを許容範囲内に収めるためには、レジスト材料１６のスロープの傾きが０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以上、０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以下であればよいことが分かった。レジスト材料１６のスロープの傾きが０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］より大きくなると、不純物層１３の深さのばらつきに基づく水平転送レジスタの転送特性のばらつきを許容範囲内に収めることは困難になり、また、レジスト材料１６のスロープの傾きが０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］より小さくなると、単位露光量［ｍＪ／ｃｍ^２］あたりのレジストの膜厚減少量［μｍ］が小さすぎるため、グレーティングマスク１７の光の透過率の変化程度ではレジスト膜１８の薄膜部１８Ａの膜厚に変化をつけることができなくなる。

なお、本実施形態において使用されるレジスト材料１６は、高感度領域および低感度領域のいずれにおいても、上記範囲を満たすスロープの傾きの材料が適用された。本実施形態においては、このような材料を適用することが好ましいが、少なくとも低感度領域において、上記範囲を満たすスロープの傾きの材料を適用してもよい。この場合、適用されるレジスト材料１６の選択の幅を広げることができる。

一方で、上述のレジスト材料１６と比較して、従来用いられていたレジスト材料は、図１０に従来のレジスト材料の溶解特性を示すように、スロープの傾きが低感度領域においておよそ０．０１［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］程度のレジスト材料を適用していた。このように、従来は、レジスト膜１８の薄膜部１８Ａの膜厚のばらつきが大きくなるレジスト材料を選定していたため、不純物層の深さが大きくばらついき、転送効率を許容範囲内に収めることはできなかった。

なお、上述の説明においては、アルカリ性のエッチング液を用いてレジスト材料１６を現像する場合について説明した。ここで一般に、レジスト溶解特性は、現像時のエッチング液の材料によっても変化するが、エッチング液がどのような材料からなるものであっても、使用されるエッチング液に対応するレジスト溶解特性のスロープの傾きが０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以上、０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以下になるようなレジスト溶解特性を有するレジスト材料１６を選定すればよい。

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、スロープの傾きが０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以上、０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以下のレジスト溶解特性を有するレジスト材料１６を用いて薄膜部１８Ａを有するレジスト膜１８を形成するため、露光量にばらつきがあっても、薄膜部１８Ａの膜厚のばらつきは抑制される。従って、形成される不純物層１３の深さのばらつきを抑制することができる。これにより、水平転送レジスタの転送特性のばらつきは抑制される。

（第２の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によって製造される固体撮像装置の構造は、水平転送レジスタの構造以外は同一であるため、ここでは、水平転送レジスタの構造について、図１１を参照して説明する。図１１は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によって製造される固体撮像装置の水平転送レジスタを、図１の一点鎖線Ａ−Ａ´に沿って示す断面図である。なお、図１１に示される水平転送レジスタの構造において、図２に示される水平転送レジスタと同一の部分には同一の符号を付すとともに、説明は省略する。

図１１に示される水平転送レジスタは、図２に示される水平転送レジスタと比較して、不純物層の構成が異なる。すなわち、図１１に示される水平転送レジスタには、転送電極１５下にｎ＋型の第１の不純物層２１が設けられるとともに、転送電極１５間には、ｎ＋型の第２の不純物層２２が設けられている。

第１の不純物層２１およびが第２の不純物層２２は、ともに、電荷の転送方向に向かって深くなるプロファイルで形成されている。さらに、第２の不純物層２２は、第１の不純物層２１よりも深く形成されている。これにより、転送電極１５に電圧が印加されていないときに、第２の不純物層２２によって形成されるポテンシャルは、第１の不純物層２１によって形成されるポテンシャルよりも深く形成される。

このような水平転送レジスタは、図２に示される水平転送レジスタを第１の実施形態に示される方法によって製造した後に、転送電極１５をマスクとしてイオン注入することにより製造される。

以上に示す固体撮像装置の製造方法であっても、第１の実施形態の製造方法と同様に、第１、第２の不純物層２１、２２の深さのばらつきを抑制することができる。これにより、水平転送レジスタの転送特性のばらつきも抑制される。

また、この方法によって製造された固体撮像装置は、全ての転送電極１５に同層のクロックパルスを印加すれば電荷は転送される。従って、第１の実施形態の固体撮像装置の製造方法によって製造される固体撮像装置と比較して、転送電極１５にクロックパルスを供給するクロックパルス供給源の簡易化が可能となる。

以上に、本発明の実施形態について説明した。上述の説明においては、図２、図１１に示される水平転送レジスタの製造方法を一例として説明した。しかし、本発明は、電荷の転送方向に向かって徐々に深くなるポテンシャルが形成されるように形成された不純物層を具備する水平転送レジスタの製造方法であれば、全てにおいて適用可能である。従って、例えば、上述の各実施形態において示された水平転送レジスタの構成においては、半導体基板１１をｐ型、チャネル層１２をｎ型、不純物層１３（第１、第２の不純物層２１、２２）をｎ＋型として説明したが、これらの導電型は限定されず、少なくとも不純物層１３（第１、第２の不純物層２１、２２）が、電荷の転送方向に向かって深くなるようなポテンシャルを形成するように形成された層であれば、グレーティングマスク１７のドットパターンの配置を適宜変更する他は同様に形成することができ、同様に、不純物層１３（第１、第２の不純物層２１、２２）の深さのばらつきを抑制することができる。

さらに、固体撮像装置の他の部分（例えば垂直転送レジスタ、電荷蓄積部等）の製造方法等においても、これらの製造工程に、電荷の転送方向に向かって徐々に深くなるポテンシャルが形成される不純物層を形成する工程を含む製造方法であれば、全てにおいて適用することができる。

また、本発明は、深さが徐々に変化する不純物層を具備する半導体装置であれば、全ての半導体装置の製造方法において適用可能である。例えば、図２に示した水平転送レジスタにおいて、３個の転送電極を有し、この３個の電極が順にドレイン電極、ゲート電極、ソース電極に対応したＭＯＳ型トランジスタを製造する場合においても適用可能である。すなわち、ゲート電極の下に形成されるチャネル不純物層において、上述した製造方法と同様に、上述した深さの変化と同様の不純物層を形成することも可能である。なおこの場合、ドレイン電極、ソース電極の下にそれぞれ形成される不純物層は、深さが変化する不純物層である必要はない。

また、上述の説明においては、膜厚が場所によって異なる薄膜部１８Ａを有するレジスト膜１８を形成し、このレジスト膜１８をマスクとしてイオン注入する方法を説明した。しかし、固体撮像装置を含む他の半導体装置の製造方法において、同じく膜厚が場所によって異なるレジスト膜を形成し、このレジスト膜をマスクとしてレジスト幕下の下地層をエッチングする工程を有する場合には、本願を適用することができる。例えば固体撮像装置の画素部には、マイクロレンズが形成される。このレンズは、レンズ材となる下地層上に例えばネガ型のレジスト材料を塗布し、このレジスト材料をグレーティングマスクを用いて露光し、現像することにより半球状のレジスト膜を形成し、これをマスクとして用いて下地層をエッチングすることにより形成される。このマイクロレンズの形成方法においても、本願を適用することができ、半球状のレジスト膜の膜厚のばらつきは抑制されるため、レンズ形状のばらつきが抑制された固体撮像装置を製造することができる。

１１・・・半導体基板
１２・・・チャネル層
１３・・・不純物層
１４・・・酸化膜
１５・・・転送電極
１６・・・レジスト材料
１７・・・グレーティングマスク
１７Ａ・・・光の透過率が変化する領域
１８・・・レジスト膜
１８Ａ・・・薄膜部
２１・・・第１の不純物層
２２・・・第２の不純物層

Claims (3)

1. 半導体基板のチャネル層上に、酸化膜を介して、レジスト材料を一様に形成する工程と、
   電荷の転送方向に向かって光の透過率が変化するグレーティングマスクを用いて前記レジスト材料を露光する工程と、
   露光された前記レジスト材料を現像することにより、膜厚が変化する薄膜部を有するレジスト膜を形成する工程と、
   前記レジスト膜を介して前記チャネル層にイオンを注入することにより、第１の不純物層を形成する工程と、
   前記レジスト膜を除去後、前記第１の不純物層上の一部に、酸化膜を介して電極を形成する工程と、
   を具備し、
   前記レジスト材料は、単位露光量あたりの膜厚減少量を示すスロープの傾きが、０．００１３［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以上、０．００５［μｍ／ｍＪ／ｃｍ^２］以下のレジスト融解特性を有する材料であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. さらに、複数の前記電極を形成した後、これらの電極をマスクとして前記電極間の第１の不純物層にイオン注入することにより、第２の不純物層を形成する工程を具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記レジスト材料は、ポジレジストであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。